超声空化场速熔高分子化合物的现象及其机制

　　1 引言

　　超声喷泉的灼热现象导致了喷射超声空化场和空化集中概念的提出[1,2]。本文作者还将这种物理新概念成功地应用于破穿冰块、解冻食品和促进苏铁种子萌发等实验中[3-5]。进一步的研究还表明,从换能器辐射面开始,在向上喷射着的这种空化水(场)的中轴线上均能引起灼热现象。本文报告了这种喷射超声空化场(水)速熔高分子化合物的现象,并提出了它的机制。

　　2 实验

　　实验装置见图1[1],实验时,将试样平放于频率1.7MHz、声强为18W/cm²的超声喷泉中,如图1所示。超声空化场自下向上喷射,并让其冲击试样底部,几秒钟内可见试样的上表面或下表面出现熔化点。试样所处的位置不同,如A、B或C等,则熔化程度不同。

　　3 实验现象与结果

　　3.1 熔化过程由表及里

　　当将试样置入超声喷泉时,几乎同时出现熔化现象。熔化点或始于试样下表面,或始于试样上表面,随试样的位置不同而不同,但熔化过程均是由表及里延续的。图2是厚度为7.3mm的有机玻璃试样置于超声喷泉顶部时由表及里熔化90s后的状态。熔化区似土堆形,最大熔化区的宽度为6mm,上部隆出部分的高度为3.1mm,内部熔化的深度为3.2mm。

　　3.2 熔化区的大小和熔化速度随试样所处位置不同而不同

　　如图1所示,厚度为2.5mm的ABS塑料试样从位置A移到B和移到C时,熔化区则由小变大,熔化速度由慢变快。试验表明,当试样移到超声喷泉顶部位置时(此时,试样上表面已露出水面),熔化区最大,熔化速度也最快。

　　3.3 熔化区随超声空化场作用时间的增加而变大

　　图3表示了这种情况,照片中10个有机玻璃试样从左至右、从上至下所用的时间分别是4s、7s、10s、30s、50s和90s、110s、120s、160s和180s。显然,熔化区(点)随作用时间的增加而变大。

　　4 机制

　　这里所指的喷射超声空化场就是超声喷泉,或者空化着的水。由于自来水并不纯净,与试样、空气和容器壁之间的界面是不连续的,周围的空气也因喷泉的不断翻动而溶入水中,所以喷泉中存有大量的空化核,其大部分在超声辐射力的作用下向上聚集,越靠近喷泉的顶部,空化核的密度越高。因此,这种空化集中的灼热效应和机械效应也就越加明显[1,5,6]。根据这种解释,作者对这种喷射超声空化场(水)的中轴线部位进行了温度测试,得到了图4所示的分布曲线。图中h表示喷射超声空化场离开换能器辐射面的高度,T表示这种空化场冲击试样1min时温度计上的读数,51.3mm(Q)表示不加超声时的水面高度,60mm(P)表示喷泉或空化场的顶部某一高度(注意:它低于顶峰的高度70mm)。显然,这种相对温度分布特征支持了上述解释,也与有机玻璃和ABC塑料的速熔现象与速熔结果相一致。